Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 đang diễn ra mạnh mẽ trên toàn cầu với sự kết hợp giữa các hệ thống thực - ảo, Internet vạn vật (IoT) và trí tuệ nhân tạo (AI), việc nghiên cứu và làm chủ công nghệ chế tạo robot đóng vai trò then chốt trong hiện đại hóa sản xuất. Tuy nhiên, các doanh nghiệp cơ khí và tự động hóa trong nước vẫn đối mặt với nhiều thách thức về mặt công nghệ, đặc biệt là trong việc tự chủ thiết kế, chế tạo các cơ cấu tay máy công nghiệp có độ chính xác cao.

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi được đồ án tập trung giải quyết xuất phát từ các nhược điểm của cơ cấu truyền động truyền thống. Các cơ cấu chấp hành sử dụng dây đai hoặc truyền động trực tiếp thường làm tăng khối lượng chuyển động của các khâu (links), gây quán tính lớn và dễ phát sinh sai số cơ khí. Giải pháp truyền động bằng dây cáp (cable-driven mechanism) cho phép đặt toàn bộ động cơ ở phần đế cố định, giảm tải trọng tĩnh và động lên thân tay máy. Dẫu vậy, robot cáp tồn tại một đặc tính phi tuyến phức tạp: dây cáp chỉ có thể tạo ra lực kéo ($T > 0$) mà không thể tạo ra lực đẩy. Ràng buộc đầu vào dương này khiến bài toán điều khiển phản hồi và ổn định chuyển động trở nên khó khăn hơn nhiều so với robot truyền thống.

Để giải quyết bài toán trên, đồ án xác định 8 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Thiết kế mô hình cánh tay robot trên phần mềm SolidWorks.
  2. Quy hoạch không gian làm việc (workspace) cho robot.
  3. Chuyển đổi mô hình từ SolidWorks sang môi trường Simscape Multibody trong MATLAB.
  4. Lập trình tính toán động học nghịch, quy hoạch quỹ đạo và đánh giá kết quả mô phỏng.
  5. Chế tạo phần cứng mô hình thực tế dựa trên bản vẽ SolidWorks.
  6. Thiết kế và thi công hệ thống điện điều khiển của robot.
  7. Xây dựng giao diện điều khiển đồ họa (GUI) trên MATLAB để tương tác và vận hành mô hình thực.
  8. Áp dụng thuật toán động học thuận, động học nghịch và quy hoạch quỹ đạo lên mô hình thực tế.

Đối tượng nghiên cứu là mô hình robot phẳng nối tiếp 2 bậc tự do truyền động bằng cáp (2-DOF Planar Cable-Driven Serial Robot). Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong không gian chuyển động phẳng $Oxy$, sử dụng cáp thép điều khiển thông qua hệ thống động cơ Servo/Step, kiểm nghiệm thuật toán trong môi trường phòng thí nghiệm và không xét đến hiện tượng giao thoa hay va chạm giữa các dây cáp (cable interference).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng tính toán dựa trên các lý thuyết động học, động lực học và điều khiển robot kinh điển:

  • Quy ước Denavit - Hartenberg (D-H): Thiết lập hệ tọa độ gắn trên các khớp quay và khâu chuyển động để xác định ma trận biến đổi thuần nhất $^{i-1}T_i$, làm cơ sở giải bài toán động học thuận và động học nghịch cho cơ cấu 2 khâu phẳng.
  • Quy hoạch quỹ đạo bằng Đa thức bậc ba (Third Degree Polynomials): Xây dựng hàm vị trí $q(t) = a_0 + a_1t + a_2t^2 + a_3t^3$ thỏa mãn các điều kiện biên về vị trí và vận tốc ($v_0 = 0, v_f = 0$) tại thời điểm bắt đầu $t_0$ và kết thúc $t_f$, đảm bảo chuyển động chuyển tiếp trơn tru giữa các điểm.
  • Ma trận Jacobi và Động học vận tốc (Jacobi and Velocity Dynamics): Thiết lập mối quan hệ vi phân giữa vận tốc không gian khớp $\dot{q}$ và vận tốc của khâu tác động cuối (end-effector) theo phương trình vi phân $D = J \cdot \dot{q}$.
  • Phương pháp Euler - Lagrange: Thiết lập phương trình vi phân động lực học tổng quát dạng vector cấp hai cho robot: $$M(q)\ddot{q} + V(q, \dot{q}) + G(q) = \tau$$ Trong đó $M(q)$ là ma trận quán tính, $V(q, \dot{q})$ là thành phần lực ly tâm và Coriolis, $G(q)$ là vector trọng trường, và $\tau$ là vector mô-men khớp sinh ra từ lực căng cáp.
  • Lý thuyết điều khiển: Ứng dụng cấu trúc điều khiển phân tầng Master - Slave với bộ điều khiển bù mô-men tính toán (PD Computed-Torque Control) kết hợp phản hồi từ cảm biến vị trí (Encoder).
  • Nguyên lý truyền thông và cảm biến: Sử dụng chuẩn giao tiếp đồng bộ I2C (Inter-Integrated Circuit) với hai đường tín hiệu SDA (Serial Data Line) và SCL (Serial Clock Line); lý thuyết cảm biến dịch chuyển biến trở vi sai LVDT và Encoder quang học (dạng tương đối Incremental và tuyệt đối Absolute) để đo góc quay và vận tốc khớp.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:

  1. Phương pháp phân tích giải tích: Tính toán bền uốn cơ học, tính toán phân bố lực và mô-men xoắn yêu cầu trên các trục khớp.
  2. Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng công cụ MATLAB/Simulink kết hợp Simscape Multibody để mô phỏng vật lý đa vật thể và kiểm chứng thuật toán điều khiển PD Computed-Torque trước khi nạp xuống phần cứng.
  3. Phương pháp thiết kế và chế tạo cơ điện tử: Thiết kế 3D trên SolidWorks, gia công cơ khí, lắp ráp hệ thống truyền động cáp, đấu nối tủ điện công nghiệp và lập trình điều khiển nhúng thời gian thực qua Arduino kết hợp giao diện MATLAB GUI.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được trích xuất từ các bảng thông số kỹ thuật (datasheet) của thiết bị công nghiệp (Mitsubishi, Omron, Panasonic), thông số khối lượng và đặc tính quán tính tính toán tự động từ mô hình SolidWorks, cùng dữ liệu xung đo trực tiếp từ encoder trong quá trình thử nghiệm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống robot nối tiếp điều khiển bằng cáp được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh từ kết cấu cơ khí, hệ thống phân phối điện đến tầng thuật toán điều khiển nhúng.

1. Thiết kế cơ khí và kiểm nghiệm bền

Cơ cấu tay máy gồm hai khâu quay (Link 1 và Link 2) liên kết nối tiếp. Nhóm tác giả thực hiện bài toán kiểm nghiệm độ bền uốn phẳng ngang (flat horizontal bending) đối với khâu 2 (chiều dài $l = 350\text{ mm}$) và khâu 1 nhằm đảm bảo độ cứng vững khi chịu tải trọng uốn:

  • Tính toán ứng suất tiếp xúc và ứng suất pháp cực đại $\sigma_{\max} = \frac{M_{x\max}}{I_x} y_{\max}$ trên cả hai dạng tiết diện: tiết diện chữ nhật ($I_x = \frac{bh^3}{12}$) và tiết diện tròn ($d = 25\text{ mm}, I_x = \frac{\pi r^4}{4}$).
  • Tính toán mô-men tĩnh tại khớp 1 ($M_1$) và khớp 2 ($M_2$) với khối lượng khâu $m_1 = 678,14\text{ g}$.
  • Cơ cấu dẫn động sử dụng động cơ kết nối với hộp giảm tốc trục vít bánh răng nghiêng tỷ số truyền $u = 100$, hiệu suất bộ truyền bánh răng $\eta_{br} = 0,95$, hiệu suất ổ lăn $\eta_{ol} = 0,93$, từ đó xác định công suất yêu cầu trên trục động cơ để lựa chọn dòng Servo tương thích.
  • Lựa chọn cáp truyền động: Sử dụng cáp thép không gỉ (Stainless steel) đường kính $3\text{ mm}$, kết cấu bện $7\times 7$ đảm bảo độ mềm dẻo khi uốn qua puly và chịu được giới hạn bền kéo cao ($1400 - 2000\text{ N/mm}^2$).

2. Thiết kế hệ thống điện và thiết bị phần cứng

Toàn bộ thiết bị điều khiển và nguồn cấp được bố trí đồng bộ trong tủ điện công nghiệp kích thước $600 \times 400 \times 180\text{ mm}$.

Tên thiết bị / Linh kiện Mã hiệu / Quy cách kỹ thuật Chức năng trong hệ thống
Động cơ Servo Mitsubishi HC-KFS23 Truyền động kéo cáp cho các khớp
Bộ điều khiển Servo (Driver) Mitsubishi MR-J2S-20A Khuếch đại công suất và điều khiển vị trí/tốc độ động cơ
Bộ mã hóa xung (Encoder) Omron E6B2-CWZ6C (2000 xung/vòng) Đo góc quay thực tế tại trục khớp để phản hồi kín
Bo mạch vi điều khiển chính Arduino MEGA 2560 / Arduino UNO R3 Giao tiếp Simulink, xuất xung điều khiển Driver và đọc xung Encoder
Bộ ngắt mạch tự động (Aptomat) MCB 2P 16A Panasonic BBD2162CNV Bảo vệ quá tải và ngắn mạch nguồn tổng 220VAC
Nguồn xung công nghiệp Input 220VAC, Output 24VDC - 5A (120W) Cung cấp nguồn một chiều cho Driver, cảm biến và rơ-le
Mạch giảm áp DC-DC LM2596 Hạ áp từ 24VDC xuống 5VDC cấp nguồn vi điều khiển
Mạch cách ly tín hiệu Module Opto Cách ly quang bảo vệ chân I/O vi điều khiển khỏi xung nhiễu
Nút dừng khẩn cấp Emergency Stop LAY37-11ZS Ngắt nguồn hệ thống tức thời khi xảy ra sự cố
Nút nhấn giữ có đèn LA38-11DNZS (220V) Đóng/cắt vận hành và hiển thị trạng thái
Cầu đấu dây (Terminal Block) TB2512 (12 cực, 25A) & TB2506 (6 cực, 25A) Phân phối nguồn và tập trung dây tín hiệu trong tủ điện

3. Kiến trúc phần mềm và điều khiển

  • Mô phỏng Simscape Multibody: Mô hình 3D từ SolidWorks được xuất trực tiếp sang khối vật lý trong MATLAB/Simulink. Hệ thống mô phỏng thực hiện giải thuật điều khiển mô-men PD với các bộ thông số thử nghiệm ($K_p = 0, K_d = 0$; $K_p = 50, K_d = 0$; $K_p = 60, K_d = 17$).
  • Giao tiếp phần cứng thời gian thực: Sử dụng gói Simulink Support Package for Arduino để biên dịch giải thuật điều khiển từ Simulink và giao tiếp trực tiếp với Arduino MEGA 2560 qua cổng nối tiếp.
  • Giao diện người dùng (GUI): Thiết kế bảng điều khiển trực quan trên nền MATLAB cho phép người vận hành chọn quỹ đạo di chuyển (tam giác, đường tròn, đường thẳng), điều chỉnh tọa độ không gian làm việc và quan sát góc quay các khớp theo thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

CHAPTER 1: INTRODUCTION

Chương 1 trình bày tổng quan về cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, sự phát triển của công nghệ robot trên thế giới và thực trạng hạ tầng tự động hóa tại Việt Nam. Tác giả phân tích các hạn chế cố hữu của hệ truyền động đai và truyền động trực tiếp, từ đó nêu bật lý do phát triển mô hình robot nối tiếp điều khiển bằng cáp hai bậc tự do. Chương này cũng xác định rõ 8 mục tiêu nghiên cứu, phương pháp tiếp cận từ thiết kế CAD, mô phỏng Simscape đến gia công phần cứng và bố cục 6 chương của khóa luận.

CHAPTER 2: THEORETICAL BASIS

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng toán học và kỹ thuật điều khiển phục vụ đề tài. Tác giả phân loại robot công nghiệp (Articulated, Polar/Spherical), phân biệt điều khiển vòng hở và vòng kín (Point-to-Point, Contour). Về mặt giải tích, chương thiết lập bảng thông số Denavit - Hartenberg, công thức động học thuận/nghịch, ma trận Jacobi ($D = J \cdot \dot{q}$), quy hoạch quỹ đạo đa thức bậc ba, và hệ phương trình vi phân động lực học Euler - Lagrange. Ngoài ra, chương tổng quan về nguyên lý của cảm biến LVDT, Encoder quang học (Incremental / Absolute) và chuẩn giao tiếp I2C với cấu trúc khung truyền START/STOP, ACK/NACK.

CHAPTER 3: DESIGN AND CONSTRUCTION OF HARDWARE FOR CABLE DRIVEN ROBOT

Chương 3 chi tiết hóa quy trình thiết kế cơ khí và thi công phần cứng:

  • Thực hiện bài toán kiểm nghiệm bền uốn phẳng ngang cho Link 1 và Link 2 trên phần mềm SolidWorks và công thức giải tích với tiết diện chữ nhật và tiết diện tròn ($d = 25\text{ mm}$, $l = 350\text{ mm}$).
  • Tính toán mô-men xoắn trên các khớp ($M_1, M_2$) với khối lượng khâu $m_1 = 678,14\text{ g}$, kết hợp tỷ số truyền hộp giảm tốc $u = 100$, hiệu suất bánh răng $\eta_{br} = 0,95$, hiệu suất ổ lăn $\eta_{ol} = 0,93$ để lựa chọn động cơ Servo Mitsubishi HC-KFS23 và Driver MR-J2S-20A.
  • Phân loại và lựa chọn cáp thép không gỉ $3\text{ mm}$ kết cấu $7\times 7$.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý tủ điện điều khiển ($600\times 400\times 180\text{ mm}$), lựa chọn các linh kiện bảo vệ (MCB Panasonic 16A), nguồn xung 24V 5A, module hạ áp LM2596, module Opto, nút dừng khẩn cấp và gia công khung chân đế robot.

CHAPTER 4: ALGORITHMS AND METHODS CONTROLLERS OF ROBOT

Chương 4 tập trung vào phát triển thuật toán và chương trình điều khiển:

  • Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống, giải bài toán động học thuận và nghịch trên mặt phẳng $Oxy$.
  • Thiết lập không gian làm việc và quy hoạch quỹ đạo chuyển động cho robot theo 3 dạng hình học: quỹ đạo đường thẳng, quỹ đạo tam giác và quỹ đạo tròn.
  • Xây dựng mô hình mô phỏng Simscape Multibody liên kết từ SolidWorks sang MATLAB/Simulink.
  • Thiết kế bộ điều khiển mô-men tính toán PD Computed-Torque và khảo sát đáp ứng vị trí/vận tốc với các giá trị hệ số $K_p, K_d$ khác nhau.
  • Xây dựng chương trình điều khiển thực tế thông qua gói công cụ Simulink Support Package for Arduino và thiết kế giao diện đồ họa tương tác (GUI) trên MATLAB.

CHAPTER 5: PROJECT RESULTS

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được:

  • Kết quả mô phỏng động lực học trên Simscape cho thấy các khớp bám sát quỹ đạo đặt khi bộ thông số điều khiển đạt $K_p = 60, K_d = 17$.
  • Hoàn thiện chế tạo mô hình cơ khí thực tế và lắp đặt hoàn chỉnh tủ điện điều khiển.
  • Thử nghiệm vận hành thực tế thành công cơ cấu robot bám theo các quỹ đạo đặt trước: chuyển động thẳng, chuyển động tam giác và chuyển động tròn tâm $I(50, 600)$, bán kính $R = 50\text{ mm}$, đồng thời ghi nhận phản hồi góc khớp và vị trí điểm tác động cuối từ Encoder.

CHAPTER 6: CONCLUSIONS AND DEVELOPMENT ORIENTATIONS

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành theo mục tiêu ban đầu, chỉ ra các tiêu chí kiểm nghiệm thực tế, phân tích các điểm hạn chế về mặt cơ khí và thuật toán khi chưa xét đến nhiễu va chạm cáp, đồng thời vạch ra phương hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm: Gia công thành công kết cấu cơ khí robot phẳng 2 khâu truyền động bằng cáp thép không gỉ $3\text{ mm}$, tích hợp động cơ Servo Mitsubishi HC-KFS23 kết hợp hộp giảm tốc $u = 100$ và Encoder Omron E6B2-CWZ6C (2000 ppr).
  • Mô phỏng và kiểm chứng thuật toán: Chuyển đổi thành công mô hình CAD SolidWorks sang Simscape Multibody, thiết lập bộ điều khiển PD Computed-Torque hoạt động ổn định với các thông số $K_p = 60, K_d = 17$.
  • Vận hành thực nghiệm: Robot thực hiện chính xác các chuyển động theo 3 dạng quỹ đạo không gian:
    • Quỹ đạo đường thẳng.
    • Quỹ đạo hình tam giác.
    • Quỹ đạo hình tròn với tâm $I(50, 600)$ và bán kính $R = 50\text{ mm}$.
  • Hệ thống điều khiển và giám sát: Xây dựng tủ điện công nghiệp hoàn chỉnh với đầy đủ các tầng bảo vệ và giao diện MATLAB GUI trực quan giúp điều khiển và thu thập dữ liệu góc khớp theo thời gian thực.

2. Đóng góp của đề tài

  • Làm chủ quy trình khép kín từ tính toán giải tích bền uốn, mô phỏng động lực học đa vật thể trên Simscape đến chế tạo phần cứng robot truyền động cáp.
  • Hiện thực hóa phương pháp điều khiển vòng kín cho hệ robot truyền động cáp nối tiếp với ràng buộc lực căng dương ($T > 0$), đóng góp một tài liệu kỹ thuật có giá trị thực nghiệm cho các phòng thí nghiệm tự động hóa và cơ điện tử tại các trường đại học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Mô hình chỉ giới hạn ở cơ cấu phẳng 2 bậc tự do (2-DOF Planar).
    • Chưa xét đến bài toán va chạm và giao thoa giữa các dây cáp (no cable interference is considered) trong quá trình chuyển động.
    • Chưa tích hợp thuật toán bù sai số do độ dão và biến dạng đàn hồi của dây cáp khi hoạt động ở tốc độ cao hoặc tải trọng biến thiên.

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Mở rộng cấu trúc không gian lên nhiều bậc tự do hơn (không gian 3 chiều).
    • Nghiên cứu giải thuật phát hiện và tránh va chạm cáp trong thời gian thực.
    • Tích hợp các bộ điều khiển phi tuyến thích nghi để bù độ võng, độ đàn hồi của cáp và các tác động nhiễu ngoại cảnh.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là nguồn tài liệu kỹ thuật tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot, Tự động hóa: Cung cấp phương pháp luận chi tiết về việc kết hợp giữa công cụ CAD (SolidWorks) và môi trường mô phỏng vật lý đa vật thể (Simscape Multibody).
  • Người làm đề tài về cơ cấu truyền động cáp: Cung cấp các công thức tính toán kiểm nghiệm bền uốn khâu, tính toán mô-men khớp, tiêu chuẩn lựa chọn cáp thép và phương pháp giải động học/động lực học cho robot cáp.
  • Kỹ sư triển khai hệ thống điều khiển nhúng: Cung cấp sơ đồ đấu nối tủ điện chuẩn công nghiệp (Servo Driver Mitsubishi, MCB, nguồn cách ly, bảo vệ khẩn cấp) và phương pháp kết nối MATLAB/Simulink với vi điều khiển Arduino.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cơ cấu robot điều khiển bằng cáp lại phức tạp hơn robot truyền động thông thường? Robot truyền động cáp có đặc tính phi tuyến là dây cáp chỉ có thể kéo ($T > 0$) mà không thể đẩy khâu tác động cuối. Ràng buộc đầu vào dương này khiến không gian làm việc khả thi về mặt tĩnh và động học bị giới hạn, đòi hỏi thuật toán điều khiển phải luôn duy trì trạng thái căng của cáp ở mọi vị trí trên quỹ đạo.

2. Nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp nào để quy hoạch quỹ đạo chuyển động cho robot? Nhóm tác giả sử dụng phương pháp Đa thức bậc ba (Third Degree Polynomials) với 4 điều kiện biên về vị trí và vận tốc ($v_0 = 0, v_f = 0$ tại các thời điểm $t_0, t_f$) để tạo ra các hàm quỹ đạo trơn tru, áp dụng cho quỹ đạo đường thẳng, tam giác và đường tròn.

3. Phần cứng cơ điện tử chính được sử dụng để điều khiển các khớp robot gồm những thiết bị nào? Hệ thống sử dụng động cơ AC Servo Mitsubishi HC-KFS23 đi kèm bộ điều khiển Servo Driver Mitsubishi MR-J2S-20A, cảm biến góc quay Encoder quang học Omron E6B2-CWZ6C (2000 xung/vòng) và bo mạch vi điều khiển Arduino MEGA 2560/UNO R3 kết nối với máy tính qua gói Simulink Support Package for Arduino.

4. Dạng cáp truyền động nào đã được lựa chọn trong đồ án và dựa trên cơ sở nào? Đồ án sử dụng cáp thép không gỉ đường kính $3\text{ mm}$, cấu trúc bện $7\times 7$ (chịu được giới hạn bền $1400 - 2000\text{ N/mm}^2$). Cấu trúc này được lựa chọn dựa trên tính toán mô-men khớp ($M_1, M_2$) và kiểm nghiệm bền uốn để đảm bảo cáp không bị tự xoắn, có độ dẻo cao khi uốn qua puly và đủ độ bền kéo.

5. Các dạng quỹ đạo nào đã được kiểm nghiệm thành công trên mô hình thực tế? Mô hình thực tế đã vận hành và bám thành công 3 dạng quỹ đạo định trước: quỹ đạo đường thẳng, quỹ đạo tam giác và quỹ đạo hình tròn có tâm tại tọa độ $I(50, 600)$ với bán kính $R = 50\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công robot nối tiếp điều khiển bằng cáp" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hoàn thành xuất sắc toàn bộ quy trình từ tính toán lý thuyết, mô phỏng động lực học đến chế tạo phần cứng thực nghiệm. Việc ứng dụng thành công bộ điều khiển PD Computed-Torque kết hợp mô phỏng Simscape Multibody và phần cứng Arduino/Mitsubishi Servo đã chứng minh tính khả thi của giải pháp truyền động cáp cho robot phẳng 2 bậc tự do. Kết quả của đề tài đóng góp một mô hình học tập, nghiên cứu trực quan và mở ra hướng phát triển cho các hệ thống robot truyền động cáp nhiều bậc tự do trong tương lai.